Biomateriali ceramici e compositi

Biomateriali ceramici e compositi

10.1 Generalità Composti inorganici che contengono sia elementi metallici sia elementi non metallici: Ossidi (Al 2 O 3, TiO 2, MgO, SiO 2, ) Carburi (TiC, SiC, ) Idruri, solfuri, seleniuri, Varietà di legami chimici, da covalente puro a ionico Enorme importanza tecnologico-industriale: Siderurgia, metallurgia Industria metalmeccanica Edilizia Elettronica Nucleare

I materiali ceramici si dividono in tradizionali e avanzati. Tradizionali: ceramici a base di argilla a cui vengono aggiunti quarzi, feldspati, calcari, etc. Si suddividono in materiali a pasta porosa e a pasta compatta. Avanzati: preparati per sinterizzazione di ossidi, siliciuri, nitruri, etc. Applicazioni biomediche: odontoiatria, ortopedia, chirurgia vascolare. Vantaggi: Basso impatto sul sistema immunitario Inerzia chimica verso i fluidi Alta resistenza alla compressione Basso coefficiente di attrito

10.2 Struttura e proprietà dei ceramici Solidi monocristallini, policristallini o amorfi (vetri) Composti del tipo A m X n (A=metallo, X= non metallo) Sistema più semplice: AX (es.: NaCl) R A /R X ~ 1 struttura cubica semplice (es.: CsCl, Cl - occupa le posizioni regolari del reticolo, mentre Cs + è interstiziale) R A /R X < 0.7 struttura CFC (es.: NaCl, ZnS). Anche in questo caso il non metallo è in posizione regolare, mentre il metallo è in posizione interstiziale (coordinazioni tetraedrica o ottaedrica) Tra i composti A m X n (n#m) ricordiamo Al 2 O 3 che ha struttura esagonale compatta.

Materiali ceramici Caratteristiche vantaggiose Caratteristiche svantaggiose Fattori di influenza Buona resistenza meccanica Elevata durezza Buone proprietà tribologiche Bassa densità Bassa espansione termica Elevata refrattarietà termica Elevata refrattarietà chimica Alte temperature di sinterizzazione Fragilità Scarsa riproducibilità Elevati costi di lavorazione meccanica Composizione chimica delle polveri di partenza Fasi di bordo grano Popolazione granulometrica: dimensione, forma e distribuzione Forte dipendenza tra microstruttura e proprietà funzionali!

Esempi di proprietà fisiche rilevanti Elevata temperatura di fusione Allumina: 2050C MgO: 2750C Grafite: ca. 4000C Bassa conducibilità termica Porcellana: 1 W/mK Elevata resistività elettrica Allumina: ca. 10 12 ohm.m

10.3 Produzione e lavorazione dei Sintesi delle polveri manufatti ceramici * Con leganti organici, più acqua, glicerina, glicoli, etc. Trattamento delle polveri* Formatura Lavorazione del corpo crudo Pressatura Pressatura isostatica Colaggio Colaggio su nastro Estrusione Iniezione a caldo borbottina Debonding dei leganti organici Pre-sinterizzazione Lavorazione del pre-sinterizzato Sinterizzazione Finitura Sinterizzazione semplice Sinterizzazione in pressione di gas Pressatura monoassiale a caldo Pressatura isostatica a caldo Sinterizzazione reattiva Processo a microonde Compattazione esplosiva

Metodi di preparazione di ceramici avanzati Sol-gel Combustion synthesis Crescita di monocristalli Hydrothermal synthesis (autoclave) Sinterizzazione

Combustion synthesis Semplice apparato Produzione veloce Bassi costi Prodotti di alta purezza SHS autocostruito con controllo dell atmosfera e delle modalità di raffreddamento.

Crescita di monocristalli: forno a immagine

Sistemi nanostrutturati Metodi di preparazione Bottom-up (sistemi autoassemblanti, film Langmuir-Blodgett, etc.). Più economici. Top-down (laser ablation, impiantazione ionica, nanolitografia, etc.)

Un esempio: biosensori di silicio Cristalli fotonici (PhC) di piccola superficie (100x100 μm 2 ) possono essere utilizzati come biosensori grazie alla presenza di intense risonanze estremamente sensibili alle condizioni ambientali 1.0 Reflectance 0.8 0.6 pulito HSA BSA Μ Γ 0.4 Κ 0.5 μm 0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.79 0.80 Energy (ev) Graphite lattice of silicon pillars La risonanza fotonica di un PhC silicio-su-isolante mostra rilevanti shift in energia in seguito esposizione a differenti Analisi di proteine, frammenti di DNA e oligonucleotidi.

Tecniche di deposizione di film sottili (cenni) Chemical Vapour Deposition (CVD) Physical Vapour Deposition (PVD) Plasma spray pyrolysis Laser ablation Metodi di deposito di ricoprimenti di materiale ceramico Ions beam (impiantazione ionica) Reactive deposition

RF Sputtering

Magnetron Sputtering Introdotto nel 1960 per superare limitazioni quali: - bassa v di deposizione - limitata efficienza di ionizzazione del plasma - elevato surriscaldamento del substrato - difficoltà di depositare film densi e con bassa conc. difettuale CILINDRICO PLANARE Alimentazione: -DC -RF

Un esempio: film sottili bioattivi Protesi di titanio microlavorato da fasci elettronici su cui è depositato un film di biovetro (SiO 2 /P 2 O 5 /CaO/Na 2 O, h ~ 10μm) mediante RF sputtering

10.4 I biomateriali ceramici Materiali più importanti: Ossido di alluminio (allumina, corindone) Idrossiapatite (HA), idrossicarbonatoapatite (HCA) β-fosfato tricalcico (TCP) Biovetri Carbonio pirolitico Si classificano in: Ceramiche bioinerti (elevata resistenza) Ceramiche bioattive (capaci di formare legami con tessuto osseo e con tessuti molli) Ceramiche bioassorbibili (coinvolte in processi metabolici)

Materiali ceramici bioinerti Al 2 O 3, ZrO 2 stabilizzata con Y 2 O 3 e CeO 2 α-al 2 O 3 si prepara per calcinazione di Al(OH) 3 (allumina calcinata). Per utilizzo come biomateriale deve avere purezza >99.5% (SiO 2, Na 2 O < 0.1%) Proprietà richieste (ISO 6474, ASTM F603-83) Densità (g/cm 3 ) >3.9 Dimensioni medie del grano (mm) <0.7 Microdurezza (MPa) 23000 Resistenza alla compressione (MPa) 4000 Resistenza alla flessione (MPa) >400 Modulo di Young (GPa) 380

Applicazioni dell allumina L Allumina pura è utilizzata sin dai primi anni 70 come materiale da innesto, specialmente per protesi artificiali e impianti dentali grazie alla sua eccellente compatibilità con i tessuti ed alle sue buone proprietà meccaniche. Nel corso degli ultimi anni ha assunto un ruolo fondamentale anche nel campo della chirurgia maxillofacciale. Possiede però una bassa resistenza a trazione motivo per cui il suo uso è limitato alle condizioni di carico di sola compressione. I materiali tipicamente utilizzati per la fabbricazione degli impianti sono: allumina policristallina ad alta densità e purezza ; zaffiri monocristallini accresciuti artificialmente.

Porcellane vetrose Fabbricazione di denti artificiali (durezza, tenacità) Polveri di estrema purezza, granulometria ben definita (1.0 ± 0.3 μm), no cromofori e metalli di transizione. Miscela quarzo-feldspato con aggiunta di piccole quantità di altri materiali: ZnO migliora la resistenza agli sbalzi termici Al 2 O 3 migliora la tenacità, diminuendo l eccessiva brillantezza B 2 O 3, CaO, Na 2 O, K 2 O correttori di fusibilità, opacizzanti TiO 2,SnO 2, ZrO 2 opacizzanti

Composizione di porcellane dentarie

Materiali ceramici bioattivi Generalmente riassorbibili Ricostruzioni di tessuto osseo, ma anche giunture, legamenti, tendini, etc. Coinvolgimento nei processi metabolici, adattamento al mezzo biologico, integrazione tra materiale e tessuto. Più importante: fosfato di calcio. A seconda del rapporto Ca/P cristallizza in due forme: Idrossifosfato di calcio (idrossiapatite, HA) β-trifosfato di calcio (β-whitlockite, β-tcp)

Idrossiapatite (HA) L'idrossiapatite è un minerale avente composizione chimica Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH), Ca/P=10/6. Fa parte della famiglia delle apatiti e contiene un gruppo OH. Cristallizza nella forma esagonale. L idrossiapatite ha durezza 5 e peso specifico che varia da 2.9 a 3.2. Nell osso naturale HA è presente in forma micro-cristallina. Ad esempio, l osso corticale è un composito costituito per il 70% da HA e per il 30% da collagene. HA preparata per via sintetica rappresenta un buon sostituto dell osso naturale. Materiale assolutamente non tossico a livello locale e sistemico. Non induce risposta infiammatoria o reazioni da corpo estraneo.

Modalità di riassorbimento Vengono misurate le velocità di dissoluzione in tampone acido o alcalino. TCP si scioglie più rapidamente di HA, per cui si può giocare sui rapporti TCP/HA. E importante la porosità. HA non poroso è bioattivo, ma non è riassorbibile. Nei meccanismi che coinvolgono strutture cellulari i pori devono essere di almeno 150 μm. Oltre a composizione chimica, fasi presenti, porosità e microstruttura, le modalità di riassorbimento dipendono anche dall intorno fisiologico.

Vetri biologici o biovetri (BG) Una composizione vetrosa che, inserita chirurgicamente nel tessuto osseo, ne stimola la crescita. Sono vetroceramiche, a base di silice, ottenute mediante tecniche di nucleazione controllata, es.: Bioglass, Cervital. Vetro SiO 2 CaO Na 2 O P 2 O 5 MgO K 2 O Bioglass 42S5.6 42.1 29.0 26.3 2.6 Bioglass 42S5.2 46.1 26.9 24.4 2.6 Bioglass 42S4.9 49.1 25.3 24.4 2.6 Bioglass 42S4.6 52.1 23.8 21.5 2.6 Bioglass 42S4.3 55.1 22.2 20.1 2.6 Bioglass 60S3.8 60.1 19.6 17.1 2.6 Cervital bioattivo 40-50 30-35 5-10 10-15 2.5-5 0.5-3

Meccanismo di bioattività Stadio di reazione 0 Scambio di cationi con H + e formazione di legami Si-OH Rilascio di ioni più complessi Tempo (ore) 1 2 Policondensazione 2Si-OH Si-O-Si +H 2 O Adsorbimento di ioni Ca 2+, PO 3-4, CO 2-3 in forma amorfa Cristallizzazione di idrossicarbonatoapatite (HCA) Adsorbimento di cellule e proteine su HCA 10 Azione dei macrofagi 20 Attecchimento di cellule staminali 100 Differenziazione delle cellule staminali Generazione della matrice ossea e successiva cristallizzazione

Principali componenti dei BG Ione Funzione strutturale Funzione biologica SiO 4 4- Formatore vetroso Produz. di gel di silice PO 4 3- Formatore vetroso bassofondente Stimolatore di funzioni cellulari Na + Modificatore di reticolo Attivatore di funzioni cellulari K + Modificatore di reticolo Attivatore di funz. antagoniste a Na + Ca 2+ Modificatore di reticolo a ponte Attivatore di funzioni cellulari Mg 2+ Modificatore di reticolo a ponte Attivatore di funz. antagoniste a Ca 2+ F - Anione di interruzione Stimolatore del sistema ricostruttivo

Un esempio: biovetri SiO 2 -P 2 O 5 -Na 2 O- (ZnO)

Altri materiali ceramici TiO 2. Componente di cementi ossei o materiale di interfacciamento con il sangue. BaTiO 3. Piezoelettrico. Sotto carico genera segnali elettrici che favoriscono il fissaggio della protesi all osso. CaO-Al 2 O 3 e Ca 3 (PO 4 ) 2. Materiali biodegradabili. Il calcio alluminato poroso induce la crescita di tessuto osseo naturale.

Ricoprimento di substrati La copertura di un impianto metallico con un ceramico impedisce il contatto con i fluidi biologici e migliora l ancoraggio al tessuto. Il rivestimento può essere bioinerte o bioattivo. Problemi: La copertura non deve contenere fori o cricche e non deve essere molto porosa (corrosione) La copertura deve essere spessa almeno 70μm per evitare l azione dei macrofagi* *Macrofagi: fagociti che inglobano antigeni,cellule infette, danneggiate o vecchie e si stabiliscono nei tessuti. Intervengono quando è in corso un'infiammazione, nella risposta immunitaria, sia cellulo-mediata sia anticorpale.

Un esempio: scaffold di titanio ricoperto di biovetro Immagini SEM di uno scaffold di Ti 3D a 20x (A) e 50x (B) ingrandimenti. Immagini a 200x dello scaffold non rivestito (C) e rivestito di biovetro (D).

Un esempio: scaffold di titanio ricoperto di biovetro Immunolocalizzazione di collagene tipo-i (A, B), decorina (C, D), osteopontina (E, F) e osteocalcina (G, H) sullo scaffold non trattato (A, C, E, G) e rivestito (B, D, F, H) a un ingrandimento di 20x. Verde: proteine della matrice extracellulare.

Un esempio: scaffold di titanio ricoperto di biovetro Fosfatasi alcalina Calcio

Il carbonio e i suoi derivati Il carbonio esiste in 4 forme allotropiche: diamante, grafite, carbonio vetroso, carbonio pirolitico (l unico usato come rivestimento).

Struttura del carbonio pirolitico Il carbonio pirolitico usato per le protesi è un solido parzialmente cristallino, nel quale le zone cristalline hanno una struttura simile a quella della grafite. Grafite

Il carbonio pirolitico risulta un aggregato di: cristalliti; singoli strati planari; probabilmente anche di atomi di carbonio non associati e non orientati. Nei cristalliti, gli strati planari hanno la stessa struttura esagonale della grafite, ma contengono anche numerose imperfezioni.

Proprietà meccaniche dei derivati del carbonio Le proprietà meccaniche dei derivati del carbonio, ed in particolare di quello pirolitico, dipendono dalla densità ed il fatto che esse aumentino all aumentare della densità, indica che sono strettamente legate al tipo di aggregazione del materiale.

Biocompatibilità e applicazioni I derivati del carbonio possiedono eccellenti doti di biocompatibilità ed è ormai invalso l uso generale di depositare carbonio pirolitico su valvole cardiache e vasi sanguigni artificiali per aumentarne la emocompatibilità.

Deposito di carbonio pirolitico (forno a letto fluido) Attraverso un foro alla base del forno di pirolisi a 1000-2400 C fluisce una miscela composta di un idrocarburo gassoso (metano, etano, propano, butano o acetilene), ed un gas inerte (He) con la funzione di vettore. Il calore del forno opera la rottura dei legami chimici dell idrocarburo, liberando atomi di carbonio che entrano nella camera interna del forno e rivestono gli oggetti mantenuti in galleggiamento dal flusso di gas inerte.

Applicazioni e limiti della tecnica a letto fluido Può essere applicata a materiali che rispondano a due requisiti fondamentali: possedere una temperatura di fusione superiore a quella necessaria al processo di pirolisi (generalmente 1500 C) Possedere un coefficiente di dilatazione termica prossimo a quello del carbonio pirolitico. Per questi motivi, la tecnica è in pratica limitata al solo trattamento di pezzi in grafite. Un altro limite inerente alla tecnica impone che il pezzo da trattare non possegga forma complessa, né abbia cavità, caratteristiche che impedirebbero la copertura di tutta la superficie dell oggetto; inoltre, l oggetto bersaglio deve possedere dimensioni massime dell ordine di pochi centimetri.

I nanotubi di carbonio come materiali per drug delivery

La funzionalizzazione

Caratterizzazione tossicologica: live/dead test

Caratterizzazione tossicologica: live/dead test

11.1 Biomateriali compositi (cenni) Materiali che contengono, su scala macroscopica o microscopica, due o più fasi (plastiche rinforzate, vetroresine, non le leghe). Possono fornire prestazioni migliori rispetto ai materiali omogenei. E possibile controllare le proprietà macroscopiche e microscopiche finali del materiale attraverso la variazione delle frazioni in volume e delle interfacce (granulometria, porosità, dimensione delle fasi). Esempio: la vetroresina. Fibre di Kevlar immerse in una matrice polimerica termoindurente. Le fibre assicurano proprietà meccaniche anisotrope (resistenza alla trazione). La matrice contribuisce a tenere insieme le fibre e assicura resistenza alla compressione.

Struttura e proprietà Le inclusioni disomogenee possono essere classificate in: Particelle Fibre Lamelle particelle fibre lamelle

La struttura dei materiali compositi si può rappresentare per mezzo di semplici modelli strutturali (Voigt, Reuss) che consentono di simulare le proprietà meccaniche (es.: resistenza a taglio o compressione) e, di conseguenza, di ottimizzare questi materiali. Voigt laminare Voigt fibroso Reuss